Зміст (стр. 2 )

В невиродженому напівпровіднику n-типу, коли він знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, завжди виконується співвідношення:

(1.8)

Енергетичний зазор Ec - Ed, тобто енергії іонізації донорної домішки Р в Si, складає 0,045 еВ; при Т = 300 К теплова енергія
kT = 0,025 еВ, а ширина забороненої зони Si Еg = 1,12 еВ. Через це при кімнатній температурі практично всі домішкові атоми іонізовані, тоді як іонізація атомів Si буде вкрай слабкою. Однак ясно, що при належному зниженні температури кристала не всі домішкові атоми будуть іонізованими. При зміні температури електронного напівпровідника спостерігаються три ділянки зміни рівноважної концентрації no носіїв заряду – рис. 1.2 [8].

Рис 1.2. Залежність концентрації вільних носіїв заряду від температури у домішкових напівпровідниках.

Це ділянка домішкової провідності або виморожування домішки (ділянка А); ділянка виснаження, тобто повної іонізації домішки, що характеризується постійністю концентрації no (ділянка Б); ділянка власної провідності (ділянка В).

З підвищенням температури при температурі насичення ТS настає повна іонізація домішки; при Тi – перехід від домішкової до власної провідності. Ясно, що в сильнолегованих зразках власна провідність настає при вищих температурах, ніж в слабколегованих (рис. 1.3, де No – концентрація домінуючої домішки чи то донорної, чи акцепторної).

Рис. 1.3

Кількісну оцінку температур ТS, Ті можна одержати з таких виразів (для напівпровідника n-типу):

(1.9)

(1.10)

де Nd – концентрація донорної домішки.

Для діркового напівпровідника в цих формулах слід замінити

(Ec – Ed)→ (Ea – Ev); Nc → Nv; Nv → Nc; Nd → Na.

Тепер розглянемо випадок, коли легування кремнію виконано елементом третьої групи, наприклад, бором. Оскільки атом бору має три валентних електрони, то один із його зв'язків з чотиривалентними атомами кремнію не буде заповнений. Для його заповнення є необхідним переведення до атома бору електрона від якогось атома кремнію. Домішка, що приймає електрон, називається акцепторною. Незавершений зв'язок (дірка в зв'язках), що утворився між двома атомами кремнію після відходу електрона до атома бору, є електронною вакансією, тобто носієм додатного заряду – діркою. Дірка є вільним носієм заряду, тоді як атом бору після захоплення електрона перетворюється в негативний іон В-, який в створенні струму не бере участі. Енергія, необхідна для переведення електрона від атома Si до атома В (Ea – Ev = 0,045 еB), набагато менша енергії Еg, потрібної для зона-зонного переходу Ev → Ec, тому процеси утворення дірок домінують над процесами утворення електронно-дірчастих пар. Через це концентрація дірок в напівпровіднику з акцепторною домішкою може істотно перевищувати концентрацію вільних електронів (p>>n). Тому дірки будуть основними носіями, а напівпровідник з акцепторною домішкою називають дірчастим або р- типу (рис. 1.1., в). Провідність такого напівпровідника буде, в основному, дірчастою:

(1.11)

Для діркового напівпровідника характерні залежності типу рис. 1.2, 1.3. і виразів (1.9), (1.10). В невиродженому напівпровіднику р- типу, коли він знаходиться в термодинамічному рівноважному стані, також завжди виконується співвідношення (1.8).

Якщо напівпровідник містить домішку обох типів - і акцепторну, і донорну, – то відбувається взаємна компенсація домішки. Коли концентрація донорів і акцепторів буде однаковою (Nd = Na), то легований напівпровідник буде схожий на власний. Такому напівпровіднику властивий високий опір. Називають такі напівпровідники скомпенсованими. Компенсація домішки має місце, наприклад, в області p-n переходу.

2. Теоретичні відомості щодо методів визначення типу провідності

Тип провідності можна впевнено визначити, установивши знак основних носіїв заряду на основі ефекту Холла, однак для цього необхідно затратити час на приготування зразка потрібної форми, виготовлення контактів. В той же час розроблено експресні методи, які широко використовують: метод термозонду, метод точково-контактного випрямлення. Розглянемо теоретичні основи цих методів.

2.1. В основі методу термозонду лежить ефект Зеебека – виникнення ЕPC в електричному колі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних напівпровідників або напівпровідника і металу, якщо температура з'єднань різна.

Для невироджених домішкових напівпровідників, коли концентрація основних, носіїв заряду набагато менша густини можливих станів у відповідних зонах, енергія вільних носіїв залежить від температури кристала. Через це в місцях локального нагріву (наприклад, термозондом) їх кінетична енергія більша і потік ”гарячих” вільних носіїв заряду від місця локального нагріву більший, ніж потік ”холодних” носіїв з об'єму напівпровідника до місця локального нагріву. Тому в області локального нагріву залишається нескомпенсований об'ємний заряд іонізованих домішкових атомів, а в об'ємі напівпровідника – нескомпенсований заряд вільних носіїв заряду, як наслідок виникає різниця потенціалів (термоЕРС), а якщо коло замкнене – струм, полярність якого визначається, природньо, знаком вільних основних носіїв заряду, тобто типом провідності напівпровідника.

2.2. Точковому контакту метал–напівпровідник завжди властивий ефект випрямлення, тобто електричний опір контакту залежить від напрямку електричного струму. Отже, вольт-амперна характеристика (ВАХ) такого контакту нелінійна. В основі методу точково-контактного випрямлення лежить однозначний зв'язок характеру нелінійності ВАХ точкового контакту метал-напівпровідник з типом провідності останнього (1.4).

На рис. 1.4 а і б показано один із можливих виглядів ВАХ для зразків n - і р - типу відповідно, що їх можна спостерігати на екрані осцилографа. Вигляд ВАХ буде іншим, якщо інакше приєднати схему до Х - і Y-входів осцилографа.

а б

Рис. 1.4 Вигляд ВАХ для зразків з n - типом (а)- та р - типом (б) провідності

Точковий контакт метал-напівпровідник (електрична формовка контакту не робиться) є випрямляючим через виникнення потенціального бар’єру між металом і напівпровідником. Потенціальний бар'єр у випадку такого контакту обумовлюється відмінністю робіт виходу, поверхневими станами та діелектричною плівкою окислу між металом і напівпровідником. Досліди свідчать, що висота бар'єру для контакту з германієм чи кремнієм притисненого загостреного металевого зонду досить значна (3-4 еВ); проходження носіїв заряду крізь бар'єр здійснюється тунельним механізмом [12].

Випрямляючу дію точкового контакту можна використати для визначення типу провідності напівпровідника не тільки по вигляду всієї ВАХ, але й шляхом порівняння двох дискретних точок на прямій і зворотній ВАХ контакту при фіксованій величині напруги. А саме, шляхом порівняння струмів крізь контакт при зміні полярності постійної напруги на ньому. Якщо зразок має електронну провідність, то струм при негативному потенціалі на зразку буде більшим струму зворотного напрямку. У випадку діркового зразка – навпаки [12].

Є очевидною фізична еквівалентність способів визначення типу провідності за допомогою точково-контактного випрямлення чи то шляхом порівняння величини струмів крізь контакт при зміні полярності постійної напруги на ньому, чи то шляхом порівняння напрямку випрямленого контактом струму при подачі на нього знакозмінної напруги. Цим останнім способом ми й скористаємося надалі.

3 Схеми вимірювань

3.1. Електрична схема для визначення типу провідності напівпровідника методом термозонду зображена на рис. 1.5, де ХА1, ХА2 на цьому і наступних рисунках – це контакти зонд-напівпровідник і омічний відповідно; ЕК – нагрівальна обмотка для нагрівання зонда; РА - гальванометр з нулем посередині і чутливістю порядку 10-9 А/порція, Sі – зразок кремнію.

3.2. Електричні схеми для визначення типу провідності методом точково-контактного випрямлення подані на рис. 1.6, 1.7, де TV – знижувальний трансформатор, що дає на виході близько 6 В; РА - гальванометр (стрілочний мікроамперметр) з нулем посередині шкали; R1 – потенціометр для вибору напруги у вимірному колі; R2 – резистор, за допомогою якого визначають струм крізь зразок Si з точковим контактом; N – осцилограф.

3.2.1. За допомогою схеми рис. 1.6 визначають тип провідності за напрямком випрямленого струму (точковo-контактне випрямлення на контакті ХА1).

3.2.2. За допомогою схеми рис. 1.7 визначають тип провідності за виглядом ВАХ – рис. 1.4 – на екрані осцилографа.

4 Методичні вказівки

Метод термозонду доцільно використовувати при визначенні типу провідності кремнію з ρ0 < 100 Ом·см, метод точково-контактного випрямлення для ρ > 10 Ом·см; в сумнівних випадках перевагу слід надавати останньому. Оскільки сумнівні випадки мають місце, наприклад, при дослідженні слабколегованих зразків, то контроль типу провідності виконують в декількох точках зразка.

Омічний контакт звичайно одержують шляхом нанесення (втирання) GaAl – або GaIn – пасти на ділянку поверхні напівпровідника; площа цього контакту – декілька мм2. Зонди рекомендується виготовляти зі сплаву алюмінію з залізом. Використовують також холодний зонд з міді або свинцю, гарячий – з нікелю або вольфраму.

Декілька зауважень щодо методу термозонду.

Ø  Температура гарячого зонду повинна бути такою, щоб напівпровідник не досяг власної провідності (рис. 1.3). Звичайно використовують помірні температури: (70-100) °С. Температуру зонду біля 60°С легко проконтролювати, поміщуючи кінчик голки в сплав Вуда, температура плавлення якого складає 60,5 °С.